我的复杂性探索之旅——一篇写给自己的东西
2009-01-05 20:17:43 来自: jake
今天忽然高兴了，想把这5年来我走过的探索复杂性科学的道路总结一下。主要是给自己看的，当然也愿意跟想踏入复杂性探索大门的人分享一下这些经历。
1、
故事就从1997年开始吧，这一年最特殊的地方就是碰到了我的大学启蒙老师：贺仲雄教授。97年我在北京交通大学上大二，误打误撞上了一门选修课，就是贺老师的“软科学方法选讲”。我一下就被这位老者的娓娓道来的讲课吸引了。曾经磨灭的想当科学家的梦想被贺老师的点燃了。模糊数学、可拓学、系统论、控制论等等先进的玩艺儿被贺老师讲得生动有趣。对他的敬仰之情让我产生了一种走近他的冲动。于是，在每次上课之前，我就主动帮他搬椅子（贺老师身体不好，上讲台需要椅子）。这大概是我30年来最成功的一次“拍马屁”的经历了，正是因为给他搬椅子，贺老师收我为徒。
贺老师代学生颇有一些中国传统的师傅代徒弟的意思。我常常跑到他家去跟他胡扯。就这样，潜移默化地，我从他身上学到了一些本科生很难学到的关于人工智能、专家系统、模糊数学的知识。不仅如此，在他的指导下，我开始写学术论文。
“复杂系统”这个词第一次是听贺老师说的，那个时候，他经常在课上说：“面对一个宏观复杂大系统，我们必须用软科学的方法……”。反正那时候跟着贺老师学到了很多新鲜、时髦的科技名词，我也不知道具体的含义，但是写文章的时候就喜欢把这些词搬上来套。（现在才发现，那个时候，中国学术界正在以一种惊人的速度创造着一大批生搬硬套的论文，而且因为大家水平都很低，所以这个套路很吃得开。估计这两年是没戏了）
虽然跟贺老师写了好几篇论文，但始终感觉不过瘾，总感觉是纸上谈兵，总觉得自己应该做点硬的东西。我上大学的时候，正赶上计算机在中国热的一塌糊涂。于是我就选择了人工智能作为自己的方向（毕竟贺老师也算是搞人工智能出身的），而且那个时候尤其对机器学习这个领域更感兴趣。本科和硕士都做的是机器学习方面（人工神经网络）的研究。
但沿着别人的思路走，始终感觉不爽，总想搞一些自己的东西。在我硕士毕业的时候，正赶上贺老师他们在搞统一集理论，就是要把模糊集、粗糙集、可拓集等等非经典集合论用一种统一的框架给合并了。这可是我们自己的理论呀！于是我一无反顾地跳进了统一集的研究之中。那时候的确不懂得看文献，只知道自己挖个坑，往里面钻研就行了。
但是搞了1年之后开始出现问题了。我跟贺老师在统一集的发展上开始产生分歧。我那时候始终觉得一定要搞出有算法的东西才算硬东西，而贺老师则坚持要走一种和“实际”相结合的道路，要把统一集用到经济、管理、控制等领域。我现在分析，大概这种分歧就来源于一种文化上的对立。对于当时的我来说，我更关注真理本身，而对于身经百战的贺老师来说，它大概关注的是如何让新学科立住脚。正是因为分歧，使得我对统一集失去了热情。
之后，我虽然和贺老师仍然保持着非常好的师生关系，但在科研上，我已经走上了自己的不归之路。去年的大概这个时候（2008.1.3），敬爱的贺仲雄老师离我们而去了。虽然我大概不算一个老老实实的贺家子弟，但是不可否认贺老师对我的巨大影响。在科研上，我始终喜欢追逐最新鲜、刺激的东西，这是贺老师培养的精神，在科学传播上，要坚持把高深的理论前沿平民化，而且是不拘一格的传授知识，这也是贺老师教给我的。贺老师在交大的时候就破格培养交大的本科生作科研、写论文，而不是去指导研究生。集智俱乐部的诞生正是我继承了贺老师的这种精神，用一种非常规的方式来做科研。
2、
2000年~2002年是我人生的第一次低谷。那个时候感情上受到了挫折，人生则失去了方向。做科研，因为没有真正导师的带领，我找不到方向。尤其是，我并没有找到一个领域能让我踏踏实实干一辈子的，一个既能结合自己的兴趣，又是自己比较擅长的事情。于是我晃晃悠悠读到了博士，其实那时候挺不情愿读博的，因为当时大的文化氛围是，活不下去了，没有出路了才去读博士，于是我经常自己跟自己较劲。
迷茫的时候就去淘盘，打口的CD买了好几百张。垃圾中还是能发现金子的，其中一张VCD引起了我的注意，这就是《Discovery的机器人时代》，其中讲到了有一批科学家正在研究一种称为“人工生命”的机器昆虫，让我感觉很新鲜。我搞了这么多年人工智能都没有让我找到兴奋的点，而机器昆虫却让我激动。于是开始利用网络搜索机器昆虫、人工生命的关键词。就这样，我下载到了那本影响了不止一个人不止一辈子的书——《复杂——诞生于混沌与秩序边缘的科学》。
这本书给我的第一个感觉就是，它把我所接触到的关于科学的好几个兴奋点连成一片了。之前搞机器学习自然接触过一种奇怪的算法，叫“遗传算法”，他竟然模拟了上亿年的生物进化让机器学习。还有之前在博弈论的书中读到的那个著名的“囚徒困境博弈”实验。以前一直感觉这些好玩的东西不过是科学家们零散的发现，但《复杂》却告诉我，它们是有联系的，它们被一个叫做复杂性科学的东西连在了一起。
该书第二个感受是，原来从贺老师那里听说过的有关“复杂性科学”、“复杂系统理论”的东西，大部分都是扭曲了国际科学界对它们的理解的。老一辈们搞的复杂性的东西大部分都是挂着复杂性的牌子，而仍旧在搞类似专家系统、决策支持系统的东西。他们和国外所说的复杂性科学简直就是天壤之别。
对于搞了很多年计算机的我来说，最痛快的事情莫过于把《复杂》这本书上学到的东西亲自动手编出程序来了。就这样，我把本书里提到的那些计算机模型一个一个全部复现了，什么生命游戏、蚁群算法、囚徒困境、人工股市，我统统用Java把它们做了出来。
当你自己把这些模型做出来和在书上看他们的描述感受是完全不一样的，这就是正反馈的力量！这种反馈重新燃起了我对科学的兴趣，我不仅下决心一定要读这个博士，而且一定要用一生来去从事复杂性科学的探索、研究工作。就这样，我把我的心和身的关系给缕顺了。我不再犹豫，不再怀疑，即使没有报酬，我也愿意去做一些事情，这大概就是马斯洛所讲的“自我实现”吧。正是在这样一种强大的心灵召唤力量的驱动下，我建立了集智俱乐部的网站。我把自己做的模拟一个一个地放了上去……
3、
网站变得越来越有影响力了，大概1年之后，已经有很多素不相识的网友开始给我写信。其中一个姓黄的，自称是上海某杂志的编辑引起了我的兴趣。我们开始网下的接触，而对于我，这也是第一次在现实世界中跟别人真正交流科学。虽然现在回想，此人跟我谈的忽悠的成分的确不少，但还是有两件事情影响了我。第一件事情就是他送给我一本叫做《哥德尔、埃舍尔、巴赫》的书（该书还是打口的）；第二件事情是他曾经说过，他认为在数学运算中取对数运算（即log运算）是一件很奇怪的事儿，让他感觉有一种神秘感。
说实话，当时听他说这些我像块木头疙瘩。但现在看来，第一件事已经影响了我，而第二件事儿目前正在影响我。
先说第一件事儿吧，《哥德尔、埃舍尔、巴赫》这本书。我拿到书的时候觉得太厚了，实在懒得读，但我翻了一遍，大概知道它在讨论自指怪圈。但过了半年之后，当我研习到图灵机和计算理论的时候，我开始读起这本书来了。
该书我是花了大概2周一口气读完的。我没有吸过毒，不过，我自信当时读完这本书的感受和吸毒High过的感受应该是差不多的。总之，自己一直在那里high，脑子不停的转，但其实书中的内容，我却很多都没有读懂（大概06年的时候，我第二遍读此书，才算懂了一些皮毛）！现在想来，这大概就是人们常说的感应吧。
之后，我就做了那个“摄像机-电视机自指试验”。当我看到屏幕中产生的复杂花纹之后，已经确信自己窥探到了宇宙最深层的奥秘。于是，那天一个人跑到河边呆了一下午，真不敢想象，宇宙的本质竟然是一个这么简单的“自指怪圈”。
4、
在那段时间（2004年左右），我还做了几件事。第一个值得说一下的是跟qintom老弟的交流。真没想到qingtom这个家伙悟道比我要早。对于我来说，qingtom最厉害的是能够让我对“生命本质”这个问题感兴趣。之前，我不觉得生命是一个我该思考的问题，因为我搞的计算机离生命科学太远。然而，在我读过《哥德尔、埃舍尔、巴赫》这本书之后，我隐约感到我找到了生命本质问题的答案。即生命本质是个不可计算的自指怪圈。
第二件事儿我不得不提的是，那个时候我彻底重新看待宗教的地位和作用。因为通过《哥德尔、埃舍尔、巴赫》这本书，我深切体会到了一种所谓的“高峰体验”。而该书又让我看到了科学作为一种语言的局限性和对不可言说性的无能为力。科学和宗教恰恰就像书中描述的图形和背景的关系，他们俩是互为依存的。
正是这些事情让我更进一步坚定了我的信念，如果说《复杂》这本书让我找到了我一生要从事的东西，那么《哥德尔、埃舍尔、巴赫》这本书则让我找到了我一生的宗教。
读到这里，你先不要慌忙找我上面所说论点中的漏洞，因为我并不打算坚持我所说的观点（包括宇宙本质、生命本质之类的），这不过是一次我的顿悟的心灵历程而已。我理解顿悟就是这样一种东西，是能让人开窍的，但具体开窍的内容和方法，则对每个人都不一样。
就这样，我经历着持久的高峰体验（这算一种高原体验吗？）。但是很快我遇到了一些科学理论上的问题。
第一个问题来源于钱学森的复杂性研究学派对SFI学派的攻击。他们主要是针对计算机模拟的开放性问题的。钱老他们很强调人机结合，可为什么要人-机结合呢？为什么一个自己演化的计算机系统就不能产生它自己的生命呢？
第二个问题则来源于我对人工生命、SFI学派的反思。为什么计算机模拟的生命组织就不能涌现出更高级的组织来？尤其是为什么模拟生命组织不能涌现出自己的血管、心脏呢？
奇怪吗？我不是已经经历过高峰体验吗？我不是已经参悟到这个世界的“本质”了吗？为什么我还呆在这里？为什么我仍然回答不了上面这两个问题？我认为那时候的一个荒唐之处就是在于，我只理解了“不可言说”和“自指”的表面含义，而不理解他的实质内涵，因为我仍然用一种语言或者说法赋予了这两个东西。所以，我还是一个普通人，仍然在那里兜圈子。
5、
当时我并不能看清楚自己的弱点，而只能盲目的在科学领域里去探索。当时我把那两个问题（人机结合、高级组织的涌现）归结为一个核心的问题：流动。
简单解释一下，我这里所说的流动有很广阔的含义，第一，它表示的是外部与系统的一种交流，这就体现为钱老强调的开放性。第二，它表示系统内部的一种紧密的联系。这就是血管的形成问题。
还有其他的一些问题当时都归结为这样一个问题，流动是什么？带着这样一个貌似比较具体的问题，我博士毕业了，走进了中科院数学与系统科学院的复杂系统研究中心做博士后。能到这个研究所是和我参加的SFI在北京办的2005年的暑期学校分不开的。
说实话，暑期学校没有学到多少非常具体的东西，原因在于我的水平跟当时SFI的研究者们相差不是一星半点，所以不能理解人家的问题（不仅仅是解决问题的方法），这是研究复杂性最大的障碍。最可笑的是，当年SFI的所长G.West来给我们作报告讲他的代谢生态学理论，我觉得是最无聊的讲座之一了（没想到我现在将把它作为我的一个研究重点）。而暑期学校最大的收获还是在于一种文化的冲击和改变。
这种冲击和改变把我从一个人的“宗教世界”里面拉回了现实。我开始认识到，光凭自己的顿悟还是一个井底之蛙，它不能代替具体的知识。
也正是在这次会以上，我认识了韩靖——一位在国内复杂性科学研究领域里面赫赫有名的女士。关于韩靖的故事一定也有好多好多，包括当年她用多Agent方法解决AI中著名的N皇后问题，包括她当年一个人独闯SFI研究所，等等。
正是因为韩靖的介绍，我做了中科院数学与系统研究院院长：郭雷院士的博士后。
6、
说实话，直到现在，我也仍然没有学会如何真正的与老板相处。因为在博士后之前，我从来没有过真正理我的老板（贺仲雄是我的老师，而非真正意义的老板）。所以，到了中科院之后，我除了报以一种敬仰的心情之外（当时真的是
仰视着参观了数学院图书馆内部的华罗庚陈列室的），仍然坚持自己的探索路线。但是中科院毕竟与我原来所在的院校不同，他们是真的把学术当回事儿的。我必须参加每周一次的讨论班。在讨论班上，我开始真正与学术界的人去交流，去讲我的想法。我试图把我两年多来顿悟的成果讲给他们听，但是他们觉得很怪异。而我听他们讲的东西，也多半是听不懂，最关键的是，我觉得他们会因为一些小的数学问题争论不休很没意义！
这种状态持续了0.5年，之间我始终没有改变我要探索的问题——流动，但是我始终没有一个讨论叫做“复杂系统中的流动”的领域，于是我就一直闷头告我自己的流动模拟模型（这就叫闭门造车）。直到一次在讨论班上，我把我刚做好的模型在组里汇报了之后，从来不对我进行评论的郭老师终于忍不住发话了：“不行，你这种探索法是要走死路的！你必须建立在别人研究的基础上，而不是一个人吓扑腾！”
我估计，当时郭老师是实在忍不下去看到我做那么烂的研究了。而我呢，听到这种批评之后先是非常失落，但是第二天就异常兴奋！电视剧中的男主人公从来都是临死再生之后才完成大事儿的。而从小就生活在顺境中的我正缺乏这样一种反面的刺激和批评。当我想明白这个道理之后的第二天，我就兴奋起来了。因为我知道我要获得新生了！
现在想起来，并不是因为当时的顿悟和类似宗教体验有错误，而是不懂得悟一件事情和做一件事情的区别。实际上，从经历那次批评之后，我才开始认真读文献。要知道我当时的处境很困难，因为我是有我自己的问题的，但也可能作相关研究的人用了不同的名称而已。
我不认为我选择的科学研究目标有问题（关于流动的问题），而在于我还是不能把这个问题转化为一个科学的问题。我必须把它落实、具体化。于是，后半年我全部泡到了英文文献世界里面，从我熟悉的计算机模拟、人工智能领域跳到了生态学。因为我发现，相比较研究问题的方法来说，问题本身更重要。而探索流的问题，生态学中已经有很成型的方法了。那就是生态系统中的能量流与食物网。我就大胆的一猛子扎到了生态系统研究里面（大家要明白，这也就是追着问题走，而不是根据自己的特长和方法的一种冒险性）。
7、
深入地研究生态学问题的确能带来新的更具体一些科学问题，这就是当时我接触到的生态系统中的最大功率原理。在一次讨论班中，我把最大功率原理介绍给大家，引起了一个中科院理论物理所的人注意，他就是黎明，一个深藏不漏的家伙。他注意到了这条原理，并告诉我，在物理学中，有一个与他类似的原理叫做最大化熵产生，也许你应该看看关于熵的一些东西。
熵？一个我曾经排斥过的觉得很无聊的东西。统计物理？算了吧，我是搞计算机编程序的出身，最排斥的就是连续性的数学（微积分、概率论那套连续的东西）。
但是，我转念想，为什么我要排斥连续数学呢？因为我先天就喜欢计算机，喜欢离散化的东西，但这不是一种文化的惯性和枷锁吗？为什么我要执著于离散的文化呢？经过一番强烈的思想斗争之后，我还是拿起了统计物理的教科书。
当我真正读进去之后，才发现，原来统计物理就是在讨论流动和开放性的学科，而且，普利高津还把他加上了一个好听的颇具哲学味道的名字：时间之箭！
原来如此，我当时体会到的，在计算这个世界中缺乏的东西，原来就是它——时间之箭。不理解时间之箭如何理解生命的本质呢？
就这样，我又一猛子扎到了统计物理的世界里面。但是，不可否认的一个弊端是，每当我重新扎到一个领域的时候，我就要重新学习那个领域的最经典的东西。也就意味着我失去了与前沿交臂的机会。
8、
幸好，半年之后（也就是2007年的6月份），我获得了一次出国访问的机会。这次出国一方面增强了我的信心，因为我发现Wolfram的那批讨论复杂性的人们谈论的话题大部分都是我们国内在2年前讨论过的话题（诸如虚拟世界、宇宙元胞自动机），所以我初步的印象是他们在哲学层面并不比我们高明多少。另一方面，我有一个很大的收获，这就是Michigan大学的Riolo这个人推荐给我的文章：Survival of likelist。这篇文章让我一下子就接触到了统计物理在复杂系统理论中的一个前沿研究。这就是热力学与进化论。
当时回国之后，正好赶上2007年的北京Summer School，我又得以和当时一批复杂性科学研究的精英相聚，包括黎明，当时来中国讲座的Eric Smith还有一个是著名生态学家James Brown的博士研究生：Jordan。我开始跟他们讨论Survival of likelist这篇文章，黎明对该文是很认可的，他说，这篇文章涵盖了那半年来他所读到的所有好玩的东西，包括最大熵产生原理、最大流原理、构造定律（Constructual law）、代谢生态学(James Brown研究的3/4幂律关系）等等。
在兴奋的过程中，我开始整理自己的思路，以科普文章的形式展现，这就是集智俱乐部上面的“流的探索”以及我对计算理论告一段落的探索：“释放比特自由”（我现在的确发现，其实写科普就是一种整理自己思路的好方法）。
9、
写作科普文章是会大量调动大脑细胞的积极性的。我开始尝试着把我关心的各种与流动相关的问题联系到一起。我慢慢发现，Brown和West它们发现的代谢生态学中的各种幂律关系是关于流动的这门新学科的实证数据（还记得么，我之前提到过2005年我参加SFI暑期学校的时候，West曾经给我们作过一次报告，而我当时竟然愚蠢地认为他的报告是最没劲的一个！）。而最大熵产生原理、最大流原理是则是流动这门新学科真正等待着突破的一个重要理论，它将类似平衡统计物理中的最大熵原理，制约着非平衡态系统的演化。而所有这些科学上“琐碎”的玩艺在背后蕴含着一套非常有意思的数学框架，这就是Jaynes的最大熵原理。
的确，在计算机科学的研究中，最大熵和贝叶斯统计被认为是一套独立的学派，这个学派被概之以“主观概率”之名。而这个学派就好像一个歪门邪道一样长期被主流数学排斥在外，原因就在于主观概率学派背后有一套与整个科学的客观唯物主义哲学都相悖的哲学思想：这就是主观唯心主义。因为，主观概率学派认为所谓的概率不过是我们人对于世界的一种猜测而已，而不是什么真实事件的频率！
表面上看，主观概率学派并不会真实影响传统的科学理论，但要命的是，在统计物理中，有很多原理都是用概率论的语言写出来的，包括熵的定义。而如果采取主观概率的观点，从最大化熵出发，我们就会轻易推出整个统计物理体系。所以，统计物理不过是一种算法而已，而不是什么对真实世界的“客观判断”，尽管它真的能够预测试验数据。但反过来，这样一种算法显然不是物质系统执行的（物质系统只有分子，没有熵和概率），而谁来执行这套算法呢？只有一个家伙：观察者！
对，就是一个个生活在地球上，活生生睁着眼睛看的人！包括你——正在阅读本文的读者，也包括我——正在敲下这几个文字的作者。
当我们探索外部世界的时候，几乎都会忽略一个重要的问题，这就是我们都是作为观察者来看世界的。而正如统计物理揭示出来的，观察是会创造熵、秩序等“假象”的。
我还清晰记得，当我猛然意识到观察者作用的时候，我正在中科院青年公寓的食堂里吃饭呢。呵呵
10、
也许你会觉得我走过的路绕了太大的圈子，这很好，至少你会从中吸取到一些见解的经验。但我始终不认为我在大方向上有问题。我现在所做的探索正是围绕着复杂性探索而慢慢展开的。从比较关注表面上的、肤浅的诸如计算机模拟问题，转变到只有哲学而无科学的问题，再到后来的从哲学转到科学的问题，我认为我已经一点点接近了最终想要提的那个问题，这就是熵与观察之间的关系。
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